MŰANYAGOK TULAJDONSÁGAI Célzott tulajdonságjavítás töltőanyagokkal Az ún. funkcionális töltőanyagokkal a műanyagok szilárdságát és ütésállóságát lehet növelni. Hatásosságuk a részecskék alakjától (hossz/szélesség arány), méretétől és a töltőanyag/polimer közötti kötés erősségétől függ. Ez utóbbit a töltőanyag bevonásával növelik. Az üvegszállal, ill. szénszállal erősített polimerek mechanikai tulajdonságait nanoanyagokkal kívánják tovább javítani. Tárgyszavak: töltőanyagok; mechanikai tulajdonságok; hővezető képesség; kompaundok; polipropilén; poliamid; szilánok. A műszaki műanyagok mechanikai és más fizikai tulajdonságait erősítő és funkcionális töltőanyagokkal lehet növelni, az egyre növekvő követelményekhez igazítani. Ma már nagyon sokféle erősítő- és töltőanyag áll a fejlesztők rendelkezésére, amelyek megfelelő kiválasztása, kombinálása nem tartozik az egyszerű feladatok közé. Funkcionális ásványi töltőanyagok Az ásványi töltőanyagok közül a tű formájú wollastonit, a lemezes szerkezetű csillámok, a muszkovit és a flogopit, valamint a kaolin évek óta fontos szerepet játszik a műszaki műanyagok termékfejlesztésében. Az ipari ásványok keménységük, színük és morfológiájuk alapján különbözőek. Hatásuk szempontjából a részecskék hossz/szélesség (L/D) aránya (aspect ratio) a legfontosabb. Ennek mérése meglehetősen nehézkes, sokszor, például a kaolin morfológiáját csak több módszer kombinációjával lehet jellemezni. Az 1-hez közel álló L/D-vel rendelkező töltőanyagok alkalmazásával csökken a termikus zsugorodás és a deformáció, tehát ezek jól használhatók a nagy pontosságot, méretstabilitást igénylő alkatrészek gyártásához. Ide tartozó töltőanyagok a kalciumkarbonát, a kvarc és az üveggolyók. A 3 5 közötti L/D arány jó kompromisszumot ad, mivel az ilyen töltőanyagoknak van erősítő hatásuk, és vetemedési hajlamuk anizotróp zsugorodásuknak köszönhetően alacsony. Ennek a kategóriának az anyagaival a műanyagok ütésállóságát lehet növelni. A wollastonitok közül ebbe a csoportba tartozik a Quarzwerke GmbH 283-400 terméke és a kaolin is. A hosszabb tűkből álló wollastonit, a 939-400 típus L/D aránya 7. Ez már jelentősebben emeli a kompaund E-modulusát és szilárdságát. A folyási irányban és a keresztirányban mért zsugorodás különbsége nagyobb, mint az előző termékeknél,
emiatt fennáll a vetemedés veszélye, bár ez jóval kisebb, mint a 400-as L/D arányú (4 mm hosszú) üvegszálnál. Ugyanakkor a zsugorodás anizotrópiája pozitív lehet a hoszszú formáknál, ahol a hosszirányú zsugorodás csökkentheti a hosszirányú hőtágulási együtthatót. A lemezes ásványi töltőanyagok L/D aránya 20 30 között van. A lemezes töltőanyagoknál ekkora L/D arány szükséges a tűs ásványokkal azonos erősítő hatás eléréséhez. Ezen anyagok előnye, hogy nagyon jó hőállóságot adnak kifejezetten alacsony vetemedés mellett. A lemezes ásványi töltőanyagokhoz tartozik a csillámfélék családjába tartozó muszkovit (Mica SG), a talkum és néhány kaolinféle. Az 1. táblázatban különböző morfológiájú töltőanyagok hatása látható a poliamid 6 tulajdonságaira. A vizsgált töltőanyagok és az üvegszál elsősorban a poliamid szilárdságát és merevségét növeli, ütésállóságát csökkenti. 1. táblázat A töltőanyag morfológiájának hatása poliamid 6 mechanikai tulajdonságaira Forma L/D Töltés foka, Töltőanyag Szakítószilárdság Nyúlás E- modulus Ütésállóság Zsugorodás Poliamid 6 86 8,4 3210 107 0,06 283-400 rövid tű 3 20 81 3,9 4190 47 0,02 Mica SG lemezes 20 20 90 4,9 5580 38 0,06 939-400 hosszú tű 7 20 96 4,6 6130 42 0,20 Üvegszál* szál 400 20 144 5,7 7110 39 0,55 * 4 mm hosszú, d = 10 µm. A töltőanyagok másik fontos tulajdonsága a részecskeméret, illetve annak eloszlása. Az utóbbit a gyakorlatban egy adott méretnél finomabb részecskék arányával jellemzik, pl. d50: 50 finomabb, mint a feltüntetett méret. A részecskeméret eloszlása jelentősen befolyásolja a mechanikai tulajdonságokat. Az ásványi töltőanyagok általában rontják az ütésállóságot, de ezen belül a kisebb részecskék kevésbé, mert az erőhatást a polimerben egyenletesen osztják el. A részecskeméret hatása wollastonit esetében a 2. táblázat adataiból látható. Az ásványi töltőanyagokkal elérhető hatás nagymértékben függ az ásvány és a polimer között létrejött kötéstől. Az ásványok általában hidrofilek, a polimerek inkább hidrofóbok, így érintkezési pontjaik a kompaund gyenge helyei lesznek. A töltőanyag felületét ezért bevonatokkal módosítják, ehhez leggyakrabban szilánokat és szilánbázisú vegyületeket használnak. A bifunkcionális vegyületek hidrolizálható vég
csoportja a töltőanyag felületéhez, a szerves funkciós csoport a polimermátrixhoz kapcsolódik. A felület megfelelő módosításával az alábbi tulajdonságokat kívánják elérni: nagyobb időjárás- és vegyszerállóság, jobb mechanikai szilárdság, nagyobb E-modulus nagyobb töltőanyag-koncentráció könnyebb feldolgozhatóság. 2. táblázat Különböző wollastonittípusok részecskeméretének hatása a poliamid 6 mechanikai tulajdonságaira (töltés foka: 20) Töltőanyag 283-010 283-400 283-600 Részecskeméret d50, µm Szilárdság Nyúlás E-modulus Ütésállóság Ütésállóság* 19 81 3,2 4610 29 3,0 5 81 3,9 4190 47 3,6 3,5 82 4,5 4170 55 3,8 * Hornyolt próbatesten mérve. 3. táblázat A töltőanyag felületkezelésének (AST) hatása a poliamid 6 mechanikai tulajdonságaira Töltőanyag Nyúlás E-modulus Ütésállóság Ütésállóság** Mica SG 4,9 5580 38 3,5 Tremica 1155-006 AST* 4,5 5320 51 3,6 283-400 3,9 4190 47 3,6 283-400 AST 5,2 4170 58 4,0 Kaolin TEC 110 4,3 5780 40 3,2 Kaolin TEC 110 AST 5,0 5410 51 3,4 * A Tremica 1155-006 AST a Mica SG felületkezelt változata. ** Hornyolt próbatesten mérve. A 3. táblázat a csillám (Mica SG), a rövid tűs wollastonit és a kaolin aminoszilános felületkezelésének hatását mutatja PA6 kompaundban. Az optimális hatás elérése érdekében az egyes polimerekre más-más szilános kezelést javasolnak (4. táblázat). A Quartzwerke új igényekre válaszolt, amikor kifejlesztette Silatherm töltőanyagcsaládját, amely lehetővé teszi a műanyag alkatrészek hővezető képességének növelését. A nagy energiasűrűségű elektromos építőelemeknél (pl. processzorok, fény
diódák és elektromos motorok) egyre gyakrabban merül fel ugyanis az igény a működés során keletkező hő elvezetésére. Erre gyakran fémszálat vagy fémport alkalmaznak, de ilyenkor csökken a műanyag elektromos szigetelőképessége. Célszerűbb erre a célra ásványi töltőanyagokat használni, amelyek természetüknél fogva szigetelők és ugyanakkor növelik is a műanyag hővezető képességét. Az új Silatherm típusokkal a töltetlen PA 6 hővezető képessége 0,3 W/m K értékről 1,3 2,3 W/m K értékre növelhető. 4. táblázat Egyes polimerek ajánlott felületkezelési módszerei Polimerrendszer Felületkezelés jelölése Felületkezelő anyag EP, UF. MF, FA, PP, PE, PVC, PA, poliszulfon, EPDM, PUR, vizes diszperziók EP, PF, MF, UP, PP, PE, PS, ABS, SAN, PVC, PA, PC, PUR, poliszulfid, alkidgyanta Vízzel hígítható rendszerek - AST Amino-szilán - EST Epoxi-szilán EP, UP, PMMA, PP, PE, PS, SAN - MST Metakril-szilán Szilikonkaucsuk - RST Trimetil-szilán Szilikonkaucsuk - TST Metil-szilán UP, PDAP, PP, PE, EPDM, EPM, SBR, EPT - VST Vinil-szilán Hibrid töltőanyagok A rövid szálakkal erősített termoplasztikus kompozitok tulajdonságainak javítására nanotöltőanyagokkal való kombinálást javasolnak, és erre végeztek kísérletsorozatot az aacheni Műanyag-feldolgozó Intézetben (Institut für Kunststoffverarbeitung, IKV). Kétféle polimerben (polipropilén, poliamid 6) más-más szerkezetű erősítő anyagot vizsgáltak a szinergia reményében. A polipropilénhez üvegszálat és nanoszilikátot, a poliamid 6-hoz szénszálat és szénnanocsövet adagoltak, különböző, 10 20 30 (m/m) erősítő- és töltőanyag-tartalommal, mindegyiknél nanoanyag nélkül és háromféle nanoanyaggal. Összesen tehát 12 kompozitot vizsgáltak az alappolimerrel öszszehasonlítva. A háromkomponensű kompozitokat egyirányba forgó kétcsigás extruderrel állították elő. A polimer megömlesztése után először a nanokomponenst, majd a szálakat adagolták. Az ily módon előállított nanokompozitokból szabványos próbatesteket fröccsöntöttek és a DIN EN ISO 527 és a 127 szabványok szerint végezték el a húzóés az ütővizsgálatokat. A kapott eredmények szerint a nanoszilikát az üvegszálas polipropilén mechanikai tulajdonságait nem javítja, 4 (V/V) összes töltőanyag-mennyiség felett pedig kifejezetten rontja. Ezt azzal magyarázzák, hogy a rétegszilikát bizonyos mennyiségen túl csökkenti az erősítő szálak hosszát. A várt eredmény elmaradását a nanoszilikát
nem kielégítő diszpergálásával is magyarázzák. A megmaradó agglomerátumok ugyanis hibahelyekként hatnak a mátrixban. Lényegesen kedvezőbb eredményeket adnak a szénnanocsövek a szénszállal erősített poliamidban. A kísérleti PA6 kompozitok összetételét az 5. táblázat mutatja. Szénszállal erősített PA6 nanokompozitok összetétele 5. táblázat Poliamid 6 (m/m) Szénszál (m/m) Szénnanocső (m/m) 100 0,0 0,0 0,0 90,0 10,0 0,0 7,0 80,0 20,0 0,0 14,6 70,0 30,0 0,0 23,0 89,9 9,5 0,5 7,0 79,8 19,5 0,5 14,6 69,7 29,5 0,5 23,0 89,9 9,0 1,0 7,0 79,8 19,0 1,0 14,6 69,7 29,0 1,0 23,0 89,9 8,0 2,0 7,0 79,8 18,0 2,0 14,6 69,7 28,0 2,0 23,0 Összes töltőanyag (V/V) rugalmassági modulus, 14 000 12 000 10 000 8 000 6 000 4 000 2 000 0 0 CN 1 CN 2 CN 0 5 10 15 20 25 összes töltőanyag-tartalom, (V/V) 1. ábra A szénszállal erősített PA6 rugalmassági modulusa a töltőanyag és a szénnanocső (CN) mennyisége függvényében
ütésállóság, 120 100 80 60 40 20 0 CN 1 CN 2 CN 0 0 5 10 15 20 25 összes töltőanyag-tartalom, (V/V) 2. ábra A szénszállal erősített PA6 ütésállósága (hornyolt próbatesten) a töltőanyag és a szénnanocső (CN) mennyisége függvényében ált. szálhosszúság, µm 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 CN 1 CN 2 CN 5 10 15 20 25 összes töltőanyag-tartalom, (V/V) 3. ábra A töltőanyagok mennyiségének hatása a szénszál átlagos hosszúságára PA6 kompaundokban A PA6 kompaundok rugalmassági modulus értékeiben a szénnanocsövek hatása kb. 7 összes töltőanyag-tartalom felett jelentkezik (1. ábra). A nagyobb szinergiahatást azzal magyarázzák, hogy a nanocsövek ezekben a nagy töltőanyag-tartalmú kompaundokban jobban diszpergálódnak. Ugyanezen minták húzóvizsgálatában a szilárdság az összes töltőanyag-tartalom hatására nőtt, azonban a szénnanocsövek csak kismértékben járultak hozzá a növekedéshez. Az ütésállóság értékei viszont egyértelműen csökkennek az összes töltőanyag-tartalom növekedésével, és ezt a szénnanocsövek még fokozzák is, ahogy ez jól látható a 2. ábrán. Az eredmény összefügghet a szénszálak hoszszúságának csökkenésével (3. ábra), hasonlóan a polipropilénben tapasztaltakkal. Összeállította: Máthé Csabáné dr. Mohr, H.: Eigenschaften maßgeschneidert verbessern = Kunststoffe, 103. k. 7. sz. 2013. p. 71 74. Hopmann, C.; Puch, F.: Fasern und Nanofüllstoffe in Kombination = Kunststoffe, 103. k. 3. sz. 2013. p. 99 102.
Röviden. A műanyagok továbbra sem nélkülözhetők a csomagolásban Németországban a műanyagok az összes csomagolóanyag 41-át teszik ki. Ez a mennyiség előreláthatóan emelkedni fog: növekedést jósolnak például az élelmiszerek egyre igényesebbé váló csomagolási követelményeinek, az italok, kozmetikai cikkek, valamint a gyógyszerek csomagolása terén egyre szigorúbbá váló előírások teljesítése miatt. Az ipar különböző ágazataiban is egyre magasabb színvonalú csomagolási megoldásokat igényelnek. A jelenlegi élelmiszeripari csomagolásoknak sem mennyisége, sem minősége nem teljesíti az elvárható szintet, hiszen Európában évente 70 millió tonna élelmiszert kell megsemmisíteni a helytelen csomagolásból eredő minőségromlás következtében. Számszerűsíthető összefüggés állapítható meg a helytelen csomagolás folytán bekövetkező élelmiszer romlása és a környezetterhelés között. Például egy kg marhahús előállításakor keletkező 13 kg környezetkárosító CO 2 a marhahús megromlása esetén a légtérbe kerül, ami még ennél is súlyosabb ártalomnak tekinthető. Ráadásul ebben az esetben ok nélkül szennyeződött a levegő, mivel a megromlott élelmiszer pótlása ugyanekkora környezetszennyezéssel jár. A környezetvédelmi szempontok mellett továbbra is exponált helyet foglal el a felhasználó számára fontos, biztonságosan tárolható, higiénikus félkész ételek csomagolása. A 2013-as év, a joghurtos poharak alkalmazásának 50. évfordulója, jó alkalmat kínált a félkész élelmiszerek területén elért fejlődés áttekintésére. A joghurtos poharak mint csomagolóanyagok kezelhetőségük, tapintásuk, könnyűségük vonatkozásában példaértékűnek tekinthetők. Alkalmasságukat tovább hangsúlyozza az a pozitív tény, hogy tömegük a 30 évvel korábbi 7 grammnak pont a felére csökkent. A csomagolóanyagok kapcsán kikerülhetetlen téma az utóbbi években a műanyag bevásárló szatyrokat (hordtáskákat) érintő megszorító intézkedések véleményezése. Az EU a műanyag hordtáskákat egész Európában be kívánja tiltani. Németországban európai szinten évente a legkevesebb, fejenként 65 darab műanyag hordtáskát használnak fel, amelyeket használat után összegyűjtenek és az EU előírások szerint 100-ban újrahasznosítanak. A Műanyag Csomagológyártók Szövetsége (Industrievereinigung Kunststoffverpackungen) nem ért egyet az EU műanyag hordtáskák ellen folytatott harcával, hiszen gyártásuk kis mennyiségű kőolajat emészt, egy táska tömege mindössze 10 gramm, ezzel szemben a hasznos terhelhetősége 15 kg. Előállítása más csomagolóanyagokhoz - például a papíréhoz - viszonyítva gazdaságosabb, alkalmazásával vízálló, higiénikus csomagolás valósítható meg. P. M. Kunststoffe werden immer unverzichtbar = K-Zeitung, 17. sz. 2013. Spezial II.